地球/3c. 核素表
1940年4月9日，纳粹德国入侵中立的挪威的消息通过广播传出。莱夫·特隆斯塔德当时正在挪威科技大学的特隆赫姆分校为他的化学课上课。特隆赫姆位于挪威北部。当听到这个消息时，作为受过军事训练的军官，莱夫·特隆斯塔德立即通知他的学生，他们现在处于战争状态，并要求他们到最近的军事基地报到，拿起武器。他和家人离开特隆赫姆，开车六个小时向南前往奥斯陆，帮助保卫国家，但半路，他们收到了奥斯陆被纳粹占领的噩耗。他在朗德讷国家公园崎岖的山区，多夫勒山脉寻找避难所。在那里，他训练志愿者使用步枪，以抵御入侵的敌人。莱夫·特隆斯塔德是一位深受喜爱的化学教授，一直在研究一种新发现的物质。这种物质将改变二战的进程，并导致原子武器的诞生。1940年5月，莱夫·特隆斯塔德得知，为他的实验室生产这种物质的工厂现在已经落入纳粹手中，他们已经命令被俘的挪威操作员增加产量。这种物质被称为同位素，它不会出现在元素周期表上。
二十七年以前，化学家弗雷德里克·索迪参加了在苏格兰妻子家族举办的晚宴。在晚餐期间，他和一位名叫玛格丽特·托德的客人进行了讨论。托德是一位退休的医生。对话可能转向了索迪正在进行的关于原子结构和放射性的研究。索迪最近发现，原子在外表上可以是相同的，但在内部却存在差异。这种差异不会出现在标准元素周期表上，元素周期表是按照电子和质子的数量来排列元素的。索迪试图想出一种不同的方式来排列这些新物质。玛格丽特·托德建议使用“同位素”这个词来描述这些物质，Iso- 意为相同，-tope 意为位置。索迪很喜欢这个词，并在那年晚些时候发表了一篇论文，使用了“同位素”这个新词，用来表示原子核中中子数量不同，但质子数量相同的原子。
质子和中子只存在于原子的中心，即原子核中，被称为核素。组织不同类型原子的一个更好的方法是绘制原子核中质子数(Z)和中子数(N)的图表（参见https://www.nndc.bnl.gov/ 获取交互式图表）。与元素周期表不同，每一种原子类型都可以绘制在这样的图表上，包括自然界中不存在或极不稳定（放射性）的原子。这种类型的图表被称为核素表。
例如，我们可以有一个质子数为 1，中子数为 0 的原子，它被称为氢。但是，我们也可以有一个质子数为 1，中子数为 1 的原子，它也被称为氢。元素的名称只表示质子数。事实上，理论上你可以有质子数为 1，中子数为 13 的氢。然而，这样的原子似乎在地球上不存在，因为在给定的地球压力和温度下，让 13 个中子与一个质子结合在一起几乎是不可能的。然而，这样的原子可能存在于密度极高的恒星中。一个质子数为 1，中子数为 13 的氢的性质与普通氢相似，但其原子质量为 14（1 + 13），这使得它比普通氢（原子质量为 1）重得多。原子质量是原子中质子和中子的总数量。
大多数核素表不包括尚未被观测到的原子，然而，人们已经发现了质子数为 1，中子数为 1 的氢，它被称为氢的同位素。同位素是指质子数相同但中子数不同的原子。同位素可以是稳定的，也可以是不稳定的（放射性）。例如，氢有两种稳定的同位素，一种是质子数为 1，中子数为 0 的原子，另一种是质子数为 1，中子数为 1 的原子，但质子数为 1，中子数为 2 的原子是放射性的。请注意，原子质量因同位素而异，因此我们可以将质子数为 1，中子数为 0 的氢同位素（原子质量为 1）称为轻氢，而将质子数为 1，中子数为 1 的氢同位素（原子质量为 2）称为重氢。科学家通常将同位素称为轻同位素或重同位素，或者用上标前缀表示，例如 1H 和 2H，上标前缀表示原子质量。
1931年，哈罗德·尤里及其同事费迪南德·G·布里克韦德和乔治·M·墨菲在芝加哥大学分离了重氢（2H），他们反复蒸馏液态氢，以净化液态氢，使其含有更多的重氢。在发现重氢后，哈罗德·尤里将这种原子命名为氘（有时缩写为 D）。只有氢的同位素有名称，其他所有元素只用它们的原子质量数表示，例如14碳（即碳-14）。数字表示原子质量，即质子数和中子数之和，所以14C（碳-14）有 6 个质子和 8 个中子（6 + 8 = 14）。
含有 1 个质子的氢和含有 1 个质子和 1 个中子的氢在与其他原子的成键性质方面表现相似，很难区分它们。无论有多少个中子，氢原子都只有一个电子，与质子数相匹配。
然而，由于质量不同，它们的物理性质略有差异。例如，1H 在受到光子的照射时会释放 7.2889 Δ(MeV) 的能量，而2H（氘）会释放 13.1357 Δ(MeV) 的能量，稍微多一点，因为原子核的质量更大，并且在氘中，电子轨道壳比典型的氢原子更靠近原子核几个普朗克长度。激发的电子将有更远的距离下降，并释放更多的能量。同位素在化学性质上的这些细微差异使得它们能够进行分馏。分馏是指通过富集或耗竭物质中各种同位素来改变物质中各种同位素的丰度或比例的过程。
含有氘（重氢）的水沸点较高，为101.4摄氏度（1个大气压），而普通水的沸点为100摄氏度（1个大气压）。氘在自然界中十分稀少，仅占氢原子总数的0.0115%。因此，要分离出氘，需要反复蒸发大量的水，并保留每次蒸发后的最后几滴，以提高水中氘的浓度。制备重水成本高昂，因为需要大量普通水并进行反复蒸馏。这是一种分馏过程。
1939年，氘被发现对生产钚-239（239Pu）至关重要，钚-239是一种用于制造原子武器的放射性同位素。玛丽·居里的女儿伊雷娜·约里奥-居里和她的丈夫弗雷德里克·约里奥-居里在1939年发表在同行评审期刊《自然》上的一篇文章中描述了强力钚-239的威力及其如何利用氘来减缓自由中子，从而从铀中制造出来。这篇文章引起了纳粹德国极大的兴趣，并掀起了一场生产氘的运动。氘与水分子中的氧结合形成重水。1940年，德国入侵挪威，占领了位于挪威特勒马克的维默克水力发电站（位于留坎瀑布），该发电站此前为利夫·特隆斯塔德的实验室生产氘，但现在已能够为德国人生产用于生产钚-239（239Pu）的同位素氘。
利夫·特隆斯塔德需要向世界发出警告，德国很快将拥有制造钚-239（239Pu）炸弹的能力。但是，挪威的战况并不乐观，很快北部城市特隆赫姆就投降了，利夫·特隆斯塔德成为了被纳粹德国占领的国家中的抵抗战士。他向英国发送了一条密码信息，警告他们德国正在加大对氘的生产。但他无法确认信息是否已收到，因此他必须逃离挪威并向世界发出警告。利夫·特隆斯塔德从他家人的小屋出发，带着滑雪板越过挪威与瑞典的边界，并找到了前往英国的通道。到达英国后，他的警告引起了温斯顿·丘吉尔的严重关注，丘吉尔后来写道：“重水——一个不祥的术语，怪异的，不自然的，开始渗入我们的秘密文件。如果敌人比我们先获得原子弹，怎么办！我们不能冒着在这个可怕的领域被超越的致命风险。”
利夫·特隆斯塔德希望领导任务重返挪威，但英国命令他训练挪威难民，而不是亲自返回执行不可能的任务。1941年，哈罗德·尤里访问了英国，利夫·特隆斯塔德敦促尤里说服富兰克林·德拉诺·罗斯福总统，盟军需要在德国之前研制出原子武器。被占领的挪威挪威水力公司重水生产厂维默克水力发电站为纳粹德国提供了先机。美国军方想要从空中轰炸该厂，但该厂位于七层混凝土墙的掩护下，防御严密。利夫·特隆斯塔德恳求不要轰炸该厂，以避免造成平民伤亡，因为该厂还生产无水氨，这是一种极易爆炸的物质。1942年11月，第一批任务小组被派往挪威，由两支突击队领导。当第二组的飞机在恶劣天气中偏离航线坠毁时，大多数突击队员在坠毁中丧生，幸存者被德国士兵处决。第一组已降落在冰冻的地形上，现在被孤立了，不得不独自面对严酷的冬季，躲避德国军队在附近山区巡逻和饥饿。德国人现在也惊恐地意识到攻击迫在眉睫。1943年2月，一支挪威特种部队空降到敌后，将被困在山区的队伍转移。在夜色的掩护下，小组攀登了山谷中岩石峭壁，冲进工厂的生产车间。小组用塑胶炸药炸毁了车间，然后逃离了冰冷的山区。任务取得了成功，然而，在1943年夏天，工厂修复了。美国空军的轰炸袭击摧毁了这座城市。剩余的重水将被运回德国，但在1944年2月，运载重水的船只在一次破坏行动中被炸沉。到1944年10月，利夫·特隆斯塔德重返挪威，成为抵抗战士。不幸的是，他在1945年3月行动中丧生，距离盟军在1945年8月对日本城市广岛和长崎投掷第一颗原子弹只有几个月。原子弹造成大约20万人丧生，为战争带来了戏剧性的结束。
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广岛上空的原子弹爆炸，造成超过66,000人丧生 -
长崎上空的原子弹爆炸，造成超过80,000人丧生。
了解同位素以及如何阅读核素图，可以理解原子能的可怕本质。例如，氢还有另一种同位素，包含1个质子和2个中子，称为氚（3H），原子质量为3。与稳定的氘不同，氚具有很强的放射性，将在几年内衰变，半衰期为12.32年。半衰期是指一半原子衰变所需的时间，因此在12.32年后，将剩下50%的原子，在24.64年后，将剩下25%的原子，每经过12.32年，剩下的氚的百分比就会减少一半。作为一种强放射性同位素，氚是在氢原子弹（H弹）内部通过用自由中子裂变稳定的同位素6-锂（6Li）的过程产生的，自由中子就像催化剂一样，通过增加这种衰变过程中的能量释放来发挥作用。在自然界中，氚不存在，因为它衰变得太快，但它是战争后1952年首次进行测试的威力更大的氢弹或氢弹核辐射中的一种放射性成分。
有没有包含1个质子和3个中子的氢原子？没有，因为似乎具有这种构型的原子无法存在，具有3、4、5和6个中子的氢原子衰变得如此之快，几乎不可能检测到它们。当氢原子被中子轰击时，可以测量释放的能量，但这些原子非常不稳定，无法存在任何时间长度。事实上，对于大多数质子和中子组合，自然界中不存在原子。质子和中子的数量似乎大体相同，但原子越大，存在的中子就越多。例如，钚包含94个质子，是自然界中质子数量最多的元素，但包含145到150个中子来将这些质子结合在一起，即使有这些中子，所有钚同位素都是放射性的，放射性244Pu同位素的半衰期最长，为8000万年。鿫（294Og）是迄今为止合成的最大同位素，拥有118个质子和176个中子（118+176=294），但半衰期只有0.69微秒！
有252种元素的同位素不衰变，是稳定同位素。最大的稳定同位素被认为是209Bi，但最近发现它衰变得非常非常慢，半衰期是宇宙年龄的一百多亿倍。已知最大的稳定同位素是208Pb（铅），拥有82个质子和126个中子。铅实际上有三种稳定同位素，206Pb，207Pb和208Pb，它们似乎都不会随时间衰变。
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